文章來源：老虎說芯

原文作者：老虎說芯

本文介紹了硅基集成電路工藝中晶體結構的晶面和晶向的定義、性質、關系和應用。

晶面和晶向是晶體學中兩個核心的概念，它們與硅基集成電路工藝中的晶體結構有密切的關系。

1. 晶向的定義與性質

晶向代表晶體中一個特定方向，通常用晶向指數來表示。晶向通過連接晶體結構中任意兩個晶格點來定義，并且有以下幾個特性：每個晶向上都包含無窮多個格點；同一個晶向可以有多個平行的晶向組成一個晶向簇；晶向簇覆蓋晶體中的所有格點。

晶向的重要性在于它標定了晶體內原子排列的方向性。比如，[111]晶向代表的是一個特定方向，其中三個坐標軸的投影比例為11。

2. 晶面的定義與性質

晶面則是晶體中的一個原子排列的平面，用晶面指數（Miller指數）表示。例如，(111) 表示晶面在坐標軸上的截距倒數為11。晶面具有以下性質：每個晶面上有無窮多個格點；每個晶面都有無窮多個平行的晶面，形成晶面簇；晶面簇覆蓋了整個晶體。

晶面指數的確定方式是通過取該晶面在各坐標軸上的截距，并取其倒數化為最小整數比。例如，(111) 表示的晶面在x、y、z三軸上的截距比例為11。

3. 晶面與晶向的相互關系

晶面和晶向是描述晶體幾何結構的兩種不同方式。晶向是指某一方向上的原子排列，而晶面是指某一特定平面上的原子排列。這兩者有一定的對應關系，但它們表示的物理概念不同。

關鍵關系：某個晶面的法向量（即垂直于該晶面的向量）正好對應一個晶向。例如，(111) 晶面的法向量正好是 [111] 晶向，這意味著在 [111] 方向上的原子排列與該晶面垂直。

在半導體工藝中，晶面的選擇對器件性能有很大影響。例如，硅基半導體中常用的晶面是(100)和(111)晶面，因為它們在不同方向上有不同的原子排列和鍵合方式。不同晶面上的電子遷移率、表面能量等性質不同，影響到半導體器件的性能和生長工藝。

4. 半導體工藝中的實際應用

在硅基半導體制造中，晶向和晶面在許多方面都有應用：

晶體生長：半導體晶體的生長通常沿著特定的晶向進行。硅晶體最常沿著[100]或[111]晶向生長，因為這些晶向對應的晶體穩定性和原子排列有利于生長。

蝕刻工藝：在濕法蝕刻中，不同的晶面具有不同的蝕刻速率。例如，在硅的(100)晶面和(111)晶面上，蝕刻速率不同，導致各向異性蝕刻效果。

器件特性：MOSFET器件的電子遷移率受到晶面影響，通常(100)晶面上的遷移率較高，因此現代硅基MOSFET大多采用(100)晶片。

小結一下，晶面和晶向是晶體學中描述晶體結構的兩種基本方式。晶向代表的是晶體內的方向性，而晶面描述的是晶體中的特定平面。這兩者在半導體制造中緊密相關，晶面選擇直接影響材料的物理和化學特性，而晶向則影響晶體的生長和加工工藝。理解晶面和晶向的關系對于優化半導體工藝流程和提高器件性能至關重要。